Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
30.03.2015

Оптические свойства наночастиц алюминия при различных температурах

Каленский Александр Васильевич
доктор физико-математических наук, профессор кафедры химии твердого тела, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия
Никитин Андрей Павлович
инженер кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет, Кемерово, Россия аспирант ФИЦ УУХ СО РАН, институт углехимии и химического материаловедения, Кемерово, Россия
Аннотация: Рассчитана зависимость коэффициента эффективности поглощения наночастиц алюминия от температуры света длиной волны 1064 нм. Показано, что при увеличении температуры от 300 до 700 К коэффициенты эффективности поглощения алюминия увеличиваются. Для каждой температуры определены максимальный коэффициент эффективности поглощения и соответствующий ему радиус наночастицы.
Ключевые слова: коэффициенты эффективности поглощения; наночастицы алюминия
Электронная версия
Скачать (720.4 Kb)

Изучению оптических свойств наночастиц металлов посвящен ряд работ [1-3]. Сложность исследования определяется зависимостью коэффициента эффективности поглощения (Qa) наночастиц (отношение сечения поглощения к геометрическому) от целого ряда свойств наночастицы и матрицы, в которой они находятся. Наибольшее влияние оказывает природа металла, поэтому в работе [4] рассчитаны максимальные значения коэффициентов эффективности поглощения наночастиц 12 наиболее востребованных металлов в матрице пентаэритриттетранитрата (тэна) – одного из штатных и взрывчатых веществ. Кроме того, исследованы влияние спектральных [5-6], размерных [7], морфологических и структурных характеристик наночастиц, оптической плотности матрицы на значения максимального коэффициента эффективности поглощения. Прикладной аспект проблемы заключается в широком практическом использовании процессов поглощения света наночастицами в исполнительных устройствах различного назначения. Одним из очевидных следствий поглощения света наночастицами является их нагревание [8]. В ряде устройств (например, в солнечных батареях) чрезмерное нагревание является вредным последствием, которое необходимо минимизировать. В других (например, в капсюлях оптических детонаторов [9-11]), эффективное нагревание наночастиц приводит к инициированию взрывчатого разложения матрицы энергетического материала [12]. Оптимизация таких устройств идет по пути создание условий повышения Qa.

В процессе поглощения света наночастицами происходит их нагревание, сопровождающееся изменением коэффициента эффективности поглощения. Однако данный эффект до сих пор не учитывался. Целью настоящей работы является расчет коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия при температурах в диапазоне 300 -700 нм на первой гармонике неодимового лазера, определение максимальных значений коэффициентов эффективности поглощения и радиусов, им соответствующих.

Достижение поставленной цели экспериментальным методом даже для одного радиуса наночастицы и комнатной температуры является очень трудоемкой задачей [1]. В работе [13] доказана корректность расчета оптических характеристик наночастиц металлов в рамках теории Ми. Поэтому зависимости Qa наночастиц алюминия от радиуса (R) и температуры (T) рассчитывались в рамках теории Ми. Коэффициент эффективности поглощения света определялся как разность коэффициентов эффективности экстинкции и рассеяния [14-16]. Важнейшим параметром моделирования зависимости Qa(R) является комплексный показатель преломления (mi) [17], который зависит от температуры.

Рис. 1. Зависимости коэффициента эффективности поглощения наночастиц алюминия в вакууме от радиуса. Сплошная – 300 К; пунктир – 500 К; штрих пунктир – 700 К.
Рис. 1. Зависимости коэффициента эффективности поглощения наночастиц алюминия в вакууме от радиуса. Сплошная – 300 К; пунктир – 500 К; штрих пунктир – 700 К.

Для алюминия значения mi (при λ=1064 нм) составляют величины 3.4 - 8.7i, 3.9 - 6.2i и 3.6 - 4.9i для температур 300 К, 500 К и 700 К соответственно [18, с. 81]. Диапазон температур определяется не только его важностью, но и наличием данных по mi для этих температур. На рис. 1 приведены рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности поглощения Qa(R) наночастиц алюминия при температурах 300, 500 и 700 К. Зависимости Qa(R) имеют максимумы (Qa max), положения которых (Ra max) изменяются с Т. При T = 300 К Qa max= 0.4046, Ra max = 161.3 нм. Увеличение температуры до 500 К приводит к росту значения Qa max до 0.7211, и уменьшению Ra max 158.2 нм. При T = 700 К Qa max возрастает до 0.9368 (сечение поглощения почти равно геометрическому) при радиусе 156 нм. Амплитуда максимума Qa существенно почти в 2.5 раза возрастает с увеличением температуры от 300 до 700 К, при этом положение максимума (Ra max) практически не изменяется, незначительном уменьшаясь.

Для исследования закономерностей нагревания наночастицы радиуса необходимо рассчитать зависимость Qa(T) для определенного значения R. На рис. 2. точками представлена рассчитанная зависимость коэффициента эффективности поглощения наночастицы алюминия радиуса 160 нм от температуры. Выбор радиуса наночастицы определяется тем, что именно наночастицы такого радиуса лучше всего поглощают излучение первой гармоники неодимового лазера в диапазоне температур от 300 до 700 К.  

Рис. 2. Зависимость коэффициента эффективности поглощения наночастицы алюминия радиуса 160 нм от температуры, точки – расчет, линия – аппроксимация полиномом второго порядка.

Рис. 2. Зависимость коэффициента эффективности поглощения наночастицы алюминия радиуса 160 нм от температуры, точки – расчет, линия – аппроксимация полиномом второго порядка.

Зависимость Qa(T) является возрастающей, без экстремумов и поэтому может быть аппроксимирована полиномом второго порядка. На рис. 2 (сплошная линия) представлена аппроксимирующая зависимость Qa(T)=-0.1148*(T/300)2 + 0.7804*T/300 - -0.2611. Нормировка температуры на комнатную позволяет получить коэффициенты одной размерности (Qa), имеющие физическое значение: их сумма равна коэффициенту эффективности поглощения при 300 К. Кроме того, значительно большее значение второго коэффициента определяет преимущественно линейное возрастание Qa с увеличением температуры. Отрицательное значение первого коэффициента разложения (-0.1148) определяет уменьшение скорости нарастания зависимости Qa(T). Следовательно, при определенной температуре зависимость Qa(T) будет иметь экстремум и достигнет максимальное значение при 2000 К. Однако при таких температурах наночастицы алюминия находятся в расплавленном состоянии.

В заключении следует отметить, что начатое в работе исследование зависимости Qa(T) очень важно для прикладных исследований оптимизации исполнительных устройств, использующих наночастицы алюминия. Если нагревание наночастиц нежелательно, оптимизация включает использование наночастиц радиусом менее 50 нм, которые слабо поглощают, либо уменьшение температуры за счет охлаждения. В обратном случае, когда повышение температуры при поглощении лазерного излучения является благоприятным результатом (фотокатализ, оптический детонатор [19]), необходимо использовать наночастицы радиусом около 150 нм, которые оптимально поглощают. Следует отметить, что зависимость Qa(T) не менее важна по сравнению с интенсивно исследуемыми в последнее время спектральными закономерностями коэффициента эффективности поглощения [20-21].

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда и гранта Президента РФ (МК-4331.2015.2).

Список литературы:

1. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Белокуров Г.М. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара // ЖТФ. – 2014. – Т. 84. – № 9. – С. 126 - 131.

2. Звеков А.А., Каленский А.В., Адуев Б.П. и др. Расчет оптических свойств композитов пентаэритрит тетранитрат — наночастицы кобальта // Журнал прикладной спектроскопии. – 2015. – Т. 82. – № 2. – С. 219-226.

3. Зыков И.Ю., Расчет коэффициентов эффективности поглощения цилиндрическими наночастицами// Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2013. – № 4 (11). – С. 63-68.

4. Ананьева М.В., Звеков А.А., Зыков И.Ю. и др. Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. – 2014. – № 7. – С. 5-12.

5. Лукатова С.Г., Одинцова О.В. Взрывное разложение композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами золота // Вестник КемГУ. – 2014. – № 4-2(60). – С. 218-222.

6. Kalenskii A.V., Ananyeva M.V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitrate -aluminium nanosystems initiated by the laser pulse // Nanosystems: Phys. Chem. Math. – 2014. – Т. 5. – № 6. – С. 803-810.

7. Каленский А.В., Зыков И.Ю., Ананьева М.В. и др. Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. – 2014. – № 3-3(59). – С. 211-217.

8. Кригер В.Г., Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений в инертной матрице // Теплофизика и аэромеханика. – 2013. – Т. 20. – № 3. – С. 375-382.

9. Ananyeva M.V., Kalenskii A.V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // Журнал СФУ. Серия: Химия – 2014. – Т. 7. – № 4. – С. 470-479.

10. Ананьева М.В., Каленский А.В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра //Молодой ученый. – 2014. – № 19. – С. 52-55.

11. Боровикова А.П., Ананьева М.В., Одинцова О.В. Природа стадии обрыва цепи разветвленных твердофазных цепных реакций // Молодой ученый. – 2014. – № 15 (74). – С. 41-45.

12. Kalenskii A.V., Kriger V.G., Zvekov A.A. et al The Microcenter Heat Explosion Model Modernization // Известия ВУЗов. Физика. – 2012. – Т. 55. – № 11/3. – С. 62 - 66.

13. Звеков А.А., Каленский А.В., Никитин А.П. и др. Моделирование распределения интенсивности в прозрачной среде с Френелевскими границами, содержащей наночастицы алюминия // Компьютерная оптика. – 2014. – Т. 38. – № 4. – С. 749-756.

14. Каленский А.В., Ананьева М.В., Звеков А.А. и др. Спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами никеля// ФПСМ. – 2014. – Т. 11. – № 3. – С. 340-345.

15. Каленский А.В., Ананьева М.В., Никитин А.П. Оптические характеристики наночастиц никеля в прозрачных матрицах // Современные научные исследования и инновации. – 2014. – № 11-1 (43). – С. 5-13.

16. Лукатова С.Г. Спектральные закономерности коэффициентов эффективности поглощения композитов золото-тэн // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2014. – № 2 (13). – С. 54-58.

17. Зыков И.Ю., Одинцова О.В. Спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в прозрачной матрице // Аспирант. – 2014. – № 5. – С. 94-97.

18. Магунов А. Н. Лазерная термометрия твердых тел. – М.: Физматлит, 2001. 224 с.

19. Адуев Б.П., Ананьева М.В., Звеков А.А. и др. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления// Физика горения и взрыва. – 2014. – Т. 50. – № 6. – С. 92-99.

20. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Фурега Р.И. и др. Взрывчатое разложение ТЭНа с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // Химическая физика. – 2013. – Т. 32. – № 8. – С. 39-42.

21. Zvekov A.A., Ananyeva M.V., Kalenskii A.V., Nikitin A.P. Regularities of light diffusion in the compo site material pentaery thriol tetranitrate – nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2014. – Т. 5. – № 5. – С. 685-691.